（环境科学专业论文）福州市非点源总磷污染负荷研究.pdf

福建师范大学硕士学位论文 关键词：降雨径流，城市非点源，总磷负荷，l - t h i a 模型，福州 中文文摘 中文文摘 水资源危机已成为十分尖锐的社会问题。从世界范围来看，随着点源污染得到 有效控制和治理，非点源已成为水质恶化的一大污染源或亦已成为首要污染源。我 国非点源污染问题也日益严重，随着中国的快速城市化进程，城市非点源污染问题 将会日益突出，因此研究城市降雨径流污染这一课题，对节约和保护城市水资源， 保障城市水环境安全具有重要的现实意义。 我国些发达城市如北京、广州、沈阳、上海、杭州、苏州、南京等在此方面 也开始了相应的研究和探索【3 3 , 3 4 1 ，福州作为海峡西岸建设的重要城市，在城市非点 源污染研究方面目前成果较少，本论文通过对福州市的地质地貌、气候条件、水文 特征、土壤性质、土地利用类型和人口分布、区域发展情况等基础资料的收集，在 实地勘察的基础上，遴选了福州市较有代表性的地块作为采样区，针对福州城市特 点选择合适的非点源污染模型，将福州市地图数据与福州市降雨径流t p 浓度实验、 福州城区降尘t p 含量实验所得数据相结合利用所选得径流产污l - t h i a 模型估算城 市非点源污染负荷量，通过对典型日期、降雨集中月份和2 0 0 1 年2 0 0 4 年的径流量 估算、降雨径流总磷污染负荷量估算，分析了福州市降雨径流变化、降雨径流总磷 负荷变化、不同土地利用类型和不同降雨条件对径流t p 负荷的影响等。 本研究的主要创新点在于： ( 1 ) 利用s c s 水文模型结合福州市土地利用图、福卅i 市土壤类型图、福州市2 0 0 1 年一2 0 0 4 年日降雨资料等数据，逐日计算福州市各用地类型产流量，也为福州市防洪 工作提供理论依据。 ( 2 ) 利用l t h i a 产污模型结合实地实验所得数据估算城市非点源污染总磷负荷， 并研究其变化规律，为福州市非点源污染控制提供科学的依据。 通过上述的研究工作，本研究取得了以下成果： ( 一) 福州市降雨产流规律特征： 1 、各种土地利用类型产生径流需要的降雨条件不同：降雨量 3 m m ，城市建设 用地开始产流；降雨量 1 0 8 m m ，耕地开始产流；降雨量 1 5 m m ，园地林地开始产 流；降雨产生的径流量大小j 顷序如下：城市用地 未利用土地 耕地 园地 林地。 2 、不同降雨量下产流率不一样：林地、园地在大雨产生的径流量占大雨降雨量 v 福建师范大学硕士学位论文 的1 0 以内，耕地约为1 5 ，而城市用地和未利用土地均占到4 0 以上；林地、 园地的小雨产生的径流量只占小雨降雨量的o 5 以内。可以说基本不产生径流，耕 地约1 1 ，城市用地和未利用土地也占到1 3 左右，也就是城市用地和未利用土 地在雨量相对较小的时候就可以产生径流。 ( 二) 福州市单次降雨径流t p 浓度变化特征： l 、初期效应：降雨初始阶段耶浓度较大，然后下降，3 0 分钟以后基本趋于稳 定。因此可以确定降雨前3 0 分钟为污染物浓度急剧变化的阶段。3 0 分钟后降雨径 流中的污染物浓度趋于较稳定的水平。 2 、交通干道其降雨径流中的污染物t p 浓度高于居住小区污染物浓度，同时污 染物浓度变化范围大于居住小区污染物浓度的变化；交通干道其降雨径流中的污染 物t p 浓度与交通流量以及道路中的人流量有关。 ( 三) 福州非点源t p 日负荷规律： 各种土地利用类型产生径流污染需要的降雨条件不同：降雨量 耕地 林地 园地：2 0 r a m 耕地 未利用地 园地；降雨量 2 5 r a m 时，此时为大到暴雨的强度，除城市用地外，其余的用地类型径流中t p 污 染负荷迅速增加；降雨量 3 5 m m 时，径流中t p 污染负荷大d , j t 顶序如下：林地 城 市用地 耕地 未利用地 园地。 ( 四) 福州2 0 0 1 年2 0 0 4 年非点源1 p 月负荷规律： 2 0 0 1 年、2 0 0 2 年、2 0 0 3 年、2 0 0 4 年四年4 月9 月这六个月产生的t p 负荷分 别占全年的7 9 、9 4 、9 3 、8 0 。 ( 五) 福州2 0 0 1 年2 0 0 4 年非点源t p 年负荷规律： 1 、2 0 0 1 年大雨条件下非点源t p 负荷占年非点源总磷负荷的8 9 2 2 ；各类用 地大雨径流产生的总磷基本占全年降雨径流t p 的9 0 以上，而大雨的雨量仅占全 年降雨量的4 3 1 3 。 2 、非点源t p 年负荷变异较大，林地、城市用地产生的t p 负荷分别占当年非 点源t p 总负荷的2 8 9 4 0 、1 7 5 2 5 6 。 3 、2 0 0 1 年一2 0 0 4 年，全年大雨非点源1 p 负荷量分别占当年总量的9 1 2 、9 2 7 、7 8 2 、7 8 4 ，也就是大雨径流携带的1 p 量是构成城市非点源污染的主要来 v i 中文文摘 源。 4 、影响径流t p 负荷的因素有：年降雨量、年大雨降雨量、大雨降雨次数、两 场降雨的间隔时间和单场降雨强度。 v i i a b s t r a c t a bs t r a c t n o n - p o i n tp o l l u t i o ni so n eo ft h ee c o l o g i c a lp r o b l e m sc a u s e db yr a p i du r b a n i z a t i o n ， i nr e c e n ty e a r sf u z h o ue i t ye x p a n d sf a s t l y , a n dt h ec i t yn o n - p o i n t p o l l u t i o nh a sb e e nt h e i m p o r t a n tr e a s o nf o rd e g r a d i n gm i n j i a n gw a t e rq u a l i t y t h ep a p e rc o l l e c t st h em a po f f u z h o ul a n di l s e ，t h em a po f f u z h o us o i lt y p e s ，s o i lt e x t u r ep r o p e r t i e s ，r a i n f a l ld a t aa n d e x p e r i m e n t a l d a t ao fr u n o f ft pc o n c e n t r a t i o n ，a n du t i l i z e sl - t h i am o d e lu n d e r a r c v i e wg i sp l a t f o r mt oc a l c u l a t et h er u n o f fa n dr u n o f ft pl o a d si nd i f f e r e n tt i m e s c a l e s t h er e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i ts h o w st h ec h a r a c t e r i s t i c sh o wt pi sg e n e r a t e dd u r i n gr a i n f a l lr u n o f f t h e r ei s d i s t i n c t “e a r l yp e r i o d e f f e c t o ft pc o n c e n t r a t i o nd u r i n gar a i n f a l l ，t pc o n c e n t r a t i o ni s l a r g ea te a r l yr u n o f f , t h e n i sl o w , a n df i n a l l yi ss t e a d ya f t e r3 0m i n u t e s ；t pc o n c e n t r a t i o n i nr u n o f fo ft r a f f i cr o a d si sh i g h e rt h a nt h a ti nr e s i d e n t i a ld i s t r i c t s ；t pc o n c e n t r a t i o ni n t r a f f i cr u n o f fi sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h et r a f f i cf l u xa n d p o l u l a t i o n ( 2 ) i ta l s od e m o n s t r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i e so fr a i n f a l lr u n o f fi n2 0 0 1t o2 0 0 4i n f u z h o uc i t y t h er a i n l f a l lt h r e s h o l d sf o rg e n e r a t i n gr u n o f fo u to fu r b a nl a n d ，a 鲥c u l t u r a l l a n d ，f o r e s ta r er e s p e c t i v e l y3 m m 、1 0 8 m ma n d1 5 m m ；t h es e q u e n c eo f r u n o f fa m o u n ti s u r b a nl a n d w a s t el a n d a g r i c u l t u r a ll a n d h o r t i c u l t u r a ll a n d f o r e s t ；t h er a t i oo fr u n e f ：ft o r a i n f a l lf o rf o r e s tl a n d ，a g r i c u l t u r a ll a n d ，a n du r b a nl a n do rw a s t el a n di sr e s p e c t i v e l y10 、1 5 a n d4 0 u n d e rl a r g er a i n f a l l ，w h i l e0 5 、1 1 a n d1 3 u n d e rl o wr a i n f a l l ( 3 ) n o n p o i n tt pl o a d si nd i f f e r e n tt i m es c a l e sa r ea l s oc a l c u l a t e di nt h ep a p e r f o r o n er a i n f a l l ，i tw i l ln o tg e n e r a t er u n o f f p o l l u t i o no na g r i c u l t u r a ll a n d ，h o r t i c u l t u r a ll a n d a n df o r e s tw h e nr a i n f a l li sl o w e rt h a nl o m m ；w h e nr a i n f a l li sl o w e rt h a n2 0 r a ma n d h i g h e rt h a n10 m m ，s e q u e n c eo fn o n - p o i n tt pl o a d sf o rd i f f e r e n tl a n du s e si su r b a nl a n d w a s t el a n d a g r i c u l t u r a ll a n d f o r e s t h o r t i c u l t u r a ll a n d ；m e nr a i n f a l li sl o w e rt h a n 2 5 m ma n dh i g h e rt h a n2 0 m m ，s e q u e n c eo f n o n - p o i n tt pl o a d sf o rd i f f e r e n tl a n du s e si s u r b a nl a n d f o r e s t a g r i c u l t u r a ll a n d w a s t el a n d h o r t i c u l t u r a ll a n d ；w h e nr a i n f a l li s l o w e rt h a n3 5 r a ma n dh i g h e rt h a n2 5 r a m ，t pl o a d si n c r e a s eq u i c k l yo nm o s to fl a n d s e x c e p tu r b a nl a n d ；w h e nr a i n f a l li sh i g h e rt h a n35 m m ，s e q u e n c eo fn o n p o i n tt pl o a d s f o rd i f f e r e n tl a n du s e si sf o r e s t u r b a nl a n d a g r i c u l t u r a ll a n d w a s t el a n d h o r t i c u l t u r a l l a n d i 福建师范大学硕士学位论文 f o rm o n t h l yr a i n f a l l ，n o n p o i n tt pl o a d sg e n e r a t e df r o ma p r i lt os e p t e m b e ri n 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ，2 0 0 3a n d2 0 0 4a l er e s p e c t i v e l y7 9 ，9 4 ，9 3 a n d8 0 o ft h et o t a la n n u a l t pl o a do fe a c hy e a r f o ry e a r l yr a i n f a l l ，n o n p o i n tt pl o a d su n d e rl a r g er a i n f a l li n2 0 01 ，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 a r er e s p e c t i v e l y9 1 2 ，9 2 7 ，7 8 2 a n d7 8 4 o ft h et o t a la n n u a lt pl o a do fe a c h y e a r ；t h e r ea r es e v e r a lf a c t o r ss u c h 硒a n n u a lr a i n f a l l ，a n n u a ll a r g er a i n f a l l ，n u m b e r so f l a r g er a i n f a l l ，i n t e r v a lt i m eb e t w e e nt w or a i n f a l l sa n dr a i n f a l li n t e n s ef o re a c hr a i n f a l lt o i m p a c to na n n u a ln o n - p o i n tt p1 0 a d s k e y w o r d s ：r a i n f a l l - r u n o f f , t o t a lp h o s p h o r u sl o a d ，u r b a nn o n - p o i n t $ o r r c e ，l - t h i a m o d e l ，f u z h o u i v 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 麴塑垒学号塑鱼型专业汹益 所呈 交的学位论文( 论文题目：袖印嘶l 焦羼萎沲l 之 禾碣彩陔 ) 是 本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成粟。尽我所知， 除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作做出贡献的 个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此产生的一切 法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名： 签字日期- 细7 年训日 指导教师签名：彦t ) 衫 签字日期：渺歹年占月夕日 绪论 绪论 水环境污染是全球环境问题之一。传统上按污染的发生类型，把污染源分成 为点源和非点源。点源污染是以污染物可通过确定的集中排污口进入水体为特 征，如工业排污。而非点源污染其排污以离散形式为特点，农业种植、其他的各 种土地开发利用等均被视为非点源，非点源污染常常由于降雨、地表径流、渗透、 排水、水文特性改变或大气沉降而产生【1 1 ，从而使大气、地表和土壤中的污染 物通过地表径流进入地表水或地下水，并在水体中大量富集而影响到水质或水生 生物的生长，形成污染效应【2 1 。过去几十年，人们对点源污染研究较多。近年来 随着点源污染控制水平达到一定程度，非点源己上升为导致水环境污染的重要原 因之一。研究表明，即使点源污染得到全部控制，水环境也得不到根本改善，水 质达标率仅为4 2 6 5 。在美国，非点源污染已成为水环境污染的第一因素， 6 0 的水污染起源于非点源【3 1 。同时由于非点源污染危害的广泛性和控制的复杂 性，使其研究备受关注。例如城市雨水径流污染目前已成为城市问题之一，随着 中国的快速城市化进程，城市非点源污染问题将会日益突出，因此研究城市降雨 径流污染这一课题，对节约和保护城市水资源，保障城市水环境安全具有重要的 现实意义1 4 j 。 一、城市非点源污染研究背景和意义 城市暴雨径流污染是一种典型的非点源污染，主要是指城市地表各种污染物 质在暴雨的淋洗和径流冲刷作用下，通过地表径流过程进入相邻受纳水体，造成 的水体污染f 5 】，是造成城市水环境质量恶化的重要污染源。目前，发达国家的点 源污染基本得到有效控制，降雨冲刷城市表面( 如道路、屋面等) 的沉积物和淋 洗大气中污染物带来的污染已经成为城市水体污染的主要因素【6 】。由于城市地表 的不透水面较大，其填洼蓄水能力微弱，极易产生地表径流，继而形成降雨径流 污染。位于亚热带的沿海城市如福州市，其年降雨量均超过1 0 0 0 m 以上，城市非 点源污染问题尤显突出。 美国环保局已把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染 源【7 】。美国众科学家报道了城市化对城市暴雨径流的影响，研究指出城市用地的 地表径流中总固体悬浮物、总磷、总氮的浓度，是林地和未利用地中相应污染物 的1 0 0 倍【8 9 1 。在我国随着生活点源和工业点源的有效控制，非点源污染也已成 福建师范大学硕士学位论文 为水体污染的主要因素之一，受到越来越多的关注【l o 】。例如赵剑强等对西一潼 高速沪河大桥段路面径流实验研究，发现降雨期泸河s s 及c o d 的值增大到晴天 时的4 倍多，总p b 及总z n 增大到晴天时的1 5 倍，降雨期桥面径流的水质参数s s 、 c o d 、t p 、总z n 分别是河流水质相应参数的1 8 倍、3 8 倍、7 7 倍和l o 倍。 城市暴雨径流污染的产生同城市化进程中下垫面的破坏( 不透水面积的增 加) 密切相关，其影响程度取决于当地的气候、水文、土壤性质、植被覆盖度、 不透水性面积和降雨强度等因素。城市化的高速发展使不透水地面面积迅速增 加，形成了不同于自然地表的“城市第二自然格局”，对地表水文过程产生了深刻 的影响【】。在雨季特别是暴雨时期，降雨在不透水地面上迅速转化为径流，冲刷 和夹带大量污染物质进入地表水体，形成典型的非点源污染，成为影响城市受纳 水体水质下降及河口污染的重要因素【1 2 】。我国城市的快速发展，降雨径流携带 大量污染物进入城市水体已造成严重污染【d 6 1 。随着城市排水过程的完善与污水 处理厂的飞速建设，城市降雨径流的污染负荷比例将大大上升，而且径流污染物 在短时间内可能对城市水体造成冲击性影响，这也是对城市水环境质量彻底改善 的严重制约。因此控制城市降雨径流污染对改善城市饮用水水质，保证城市可持 续发展具有重要意义。 二、城市非点源污染研究进展 城市化以后，由于人类活动的影响，天然流域被开发，植被被破坏，土地利 用状况被改变，混凝土建筑、道路、商业区、停车场、住宅区等不透水地面大量 增加，使得城市的水文循环状况发生了很大的变化，蒸发及填洼减少，而地表径 流却大量增加，这种变化随着城市化的发展，愈演愈烈。这样就给城市水环境带 来两个很重要的影响：( 1 ) 受纳水体水量的影响g 城市不透水面积的增大，减少 降雨径流的渗透，增加径流，使地表总径流量和峰值量增加，滞后时间( 径流量 落后于降雨量的时间) 缩短。( 2 ) 受纳水体水质的影响：大量的地面径流冲刷地面 后携带很多有毒有害的污染物通过城市下水道排放到城市河道、湖泊，严重污染 了受纳水体，成为典型的城市降雨径流污染【1 7 】。下面根据目前国内外在城市非 点源污染研究成果，重点阐述城市非点源污染成因与类型、研究方法和手段、模 拟模型、产流产污过程特征、控制和管理手段五个方面内容。 城市非点源污染成因 一般来说，城市降雨径流中的污染物来自三个方面：降雨、地表径流污染和 绪论 下水道系统。降雨对径流污染物的贡献，主要是降雨淋洗空气污染物，特别是在 工业区这一现象尤为明显。而降雨污染物含量由两部分组成，一部分为降雨污染 物背景值，另一部分为降雨通过大气而引起的湿沉降，其中背景值一般比较稳定， 地表污染物可被认为是雨洪径流污染物的主要部分。 地表径流污染是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面( 如商业 区、居住区、街道、停车场等) ，聚集的一系列污染物质( 如氮、磷、有毒物质、 有机物质等) 并直接排入水体而造成的水体非点源污染【l 引。地表径流污染是城区 水环境非点源污染最主要的类型之一，常被称为狭义非点源污染。我国真正意义 上的非点源污染的研究就是从研究地表径流污染对水环境的影响开始的，研究表 明【1 9 渤】，地表径流污染主要取决于降雨的历时、强度、土地利用方式、地面累积 物的数量及特征等【3 1 。 污染物以各种形式积蓄在街道、阴沟以及其它与排水系统直接相连接的不透 水面上。例如，行人抛弃的废物，从庭院和其它地面上冲刷到街道上的碎屑和污 染物，建造和拆除房屋的废土、垃圾、随风抛洒的碎屑，地面上汽车漏的油，轮 胎磨损和随意排放的废气以及从空中干沉降的污染物等都影响雨洪径流水质。可 知，降雨的强度、历时、土地利用方式、地面累积物的数量及特征等都是城市降 雨径流污染的影响因素。 城市非点源污染研究方法与研究手段 城市非点源污染的来源广泛，污染物复杂，同时受到区域降雨、土地利用方 式、地形特征等条件的限制，其研究方法在实践方面有多种：类型源实验法、径 流实验场法、受纳水体水质监测法、通用模型计算法等。目前利用元素示踪技术、 人工降雨模拟、地理信息系统等技术在非点源污染宏观研究方面的应用也日益受 到重视【1 8 - 1 9 2 1 1 。 在研究手段方面也取得了较快的发展，最突出的表现在基础数据( 如背景资 源、降雨径流监测数据等) 的获取上。早期主要的研究手段为野外实地考察和监 测，由于非点源污染具有突发性、随机性、不确定性等特点，故所得数据可靠性 较差，收集工作费力、费钱、费时，结果导致估算污染负荷的精度下降，达不到 预期目的；之后遥感技术、人工模拟试验技术用于非点源污染研究领域【2 2 】，在 数据的获得及背景资源处理等方面取得了极大的进步，节省了人力、物力、财力； 近年来地理信息系统( g i s ) 技术被引入水环境非点源污染的研究中，其分层处理 数据的功能极大地方便了非点源污染的模拟、预测和管理决策。目前，g i s 技 福建师范大学硕士学位论文 已用于水环境模型库管理、土地利用方式对非点源污染的影响方面的研究 1 5 2 3 - 2 4 。国外在水文观测、气象观测、水质监测等方面大多采用全自动系统，因 而能够较准确地描述降雨径流污染物含量之间的关系与时空变化规律，污染 物流失负荷量的计算结果翔实、可靠、可利用的数据信息量大。我国目前尚无法 达到这样的试验与监测条件，只能利用较少的数据通过相关模式的推演，计算污 染物流失量，影响研究精度。 由于城市非点源污染的来源广泛，污染物复杂，污染物的迁移和转化的主要 载体是雨水及其所形成的径流，其水动力因素主要是降雨动能的冲刷作用和地表 径流的冲刷作用，因此目前常用的研究思路为：在实地监测降雨径流水质、水量 或模拟试验的基础上，应用流域水文模型或与水文模型密切相关的模型来模拟和 估算非点源污染负荷。具体来说，对于地表径流污染的研究主要是将城市区域进 行功能区化( 如商业区、居民区、交通繁华区等) ，在此基础上布点采集地面累积 物或监测降雨径流水质，然后根据具体的研究目的，采用国外的成熟模型或在此 基础上加以修正来模拟和估算出非点源污染负荷【3 1 。 利用数学模型模拟非点源污染的形成是研究非点源污染来源和扩散的有效 手段，例如夏青提出模拟径流有机污染物对受纳水体水质影响的点源、非点源分 别计算，然后线性叠加的近似方法。吴林祖通过径流量和污染物负荷之间的相关 分析，建立了估算降雨径流污染负荷总量的经验模型。李怀恩先后提出了非点源 污染物迁移逆高斯模型、分布瞬时单位线模型和流域产污模型和平均浓度法，并 建立了流域非点源污染模型系统。目前多数研究集中在污染负荷的估算上和非点 源污染的定量化，数学模型应用于非点源污染的三个环节：降雨径流、水土流失 和污染物迁移模拟，以估算非点源物的输出负荷。因此尽管非点源污染研究方法 和手段不断更新，其模型估算方法始终是最核心的内容。 非点源污染数学模型 目前我国在非点源污染研究方面大部分是采用国外现成的模型，在结合国内 的实际情况基础上加以修正，少有原创性的非点源污染模型。早期的模型是以降 雨径流污染特征、影响因子、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等统计关系为基 础，进而建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计模型。后来非点源污 染模型逐步完善，有多种数学计算模型，但各个模型其应用范围和领域有所不同， 下面需要进行详细分析。 非点源估算模型数量较多，早期的模型有h s p f 、d r 3 m q i a i ，、s w m m ( 城 绪论 市水管理模型) 、s t o r m ( 城市地表径流数学模型) 四个模型口5 1 ，后来出现的很多 模型都是源自于它们。之后出现了大量关于非点源污染的统计模型、机理模型及 管理和规划模型【3 】。统计模型主要是计算径流污染物与产生径流的其他条件( 如 土地利用类型、道路径流路况等) 之间的关系。例如b r e z o i l i k 等【3 1 】利用多元回归 模型( m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l s ) ，通过建立1 0 种污染物( 6 种氮磷污染物、 t s s 、v s s 、c o d 和p b ) 和不同土地利用类型之间的关系，对美国明尼苏达州的 t w i n s 市，进行了暴雨径流流量、污染物浓度等的分析和预测，认为t w i n s 市的总 降雨量、降雨强度及排水汇水面积是多元回归模型预测该区域径流流量和非点 源污染物负荷的重要参数【9 】。d r a p p e r 等人对澳大利、- l f b r i s b a n e 市周围公路的2 1 个 测点的1 2 场降雨引起的路面径流进行了为期1 8 个月的测试研究，分析了径流中 s s 、凯氏氮( t n k ) 、总磷( t p ) 、重金属等污染物的浓度，并研究了径流中污染物 的浓度与交通量、路面类型、测点特征之间的关系【2 7 1 。 目前通用的水文模拟模型主要有s w m m ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n tm o d e l ) 、 b a s i n s ( b e t t e r a s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n ta n dn o n p o i n ts o u r c e s ) 、 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) h s p f ( h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m ) 和l - t h i a ( l o n g - t e r mh y d r o l o g i ci m p a c ta s s e s s m e n t ) ；其他模型还有c r e a m s ( c h e m i c a lr u n o f fa n fe r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、 g l e a m s ( g r o u n d w a t e rl o a d i n ge f f e c t so na g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、 a n s w e r s ( a r e a ln o n p o i n ts o u r c e sw a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s es i m u l a t i o n ) 及a g n p s ( a 伊- i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c e s ) 等，不同的模型基于的假设和数学公 式不同，所需的参数不同。实际研究中选用何种模型，首要的原则就是要根据模 型的精确度、灵活性以及数据要求和使用的简易程度来选择。以下把些重要的非 点源污染模型【2 5 】列在表0 1 以便比较。 根据表0 1 可以看出，选择非点源污染模型首先需要依据研究对象的土地利 用类型，其次要考虑研究的空间范围和降雨的时间频率，然后针对污染源特征、 污染物性质，才可以选择合适的模型进行估算。针对城市非点源污染模型，主要 有s w m m 、h s p f 和l t h i a _ _ 三类，其适用于研究氮、磷元素的污染负荷估算，本 文选用l t h i a 模型进行城市非点源污染负荷量的估算，后面对此模型进行详细 介绍。 福建师范大学硕士学位论文 表0 1 非点源污染模型比较 t a b 0 1c o m p a r i s o no fm o d e l sf o re v a l u a t i n gt h en o n - p o i n tp o l l u t i o n 适用的时 模型名称 适用对象污染源类型适用的空间范围污染物进入水体方式污染物性质特点 间分辨率 s w m m城市用地点面源 农业用地未 s w a t 利用土地 多个流域m i n s径流，渗流，人工管道 易降解难降解 氮磷负荷，复杂污 点面源多个流域d h径流，渗流，人工管道 b a s i n s多尺度点面源多个流域d h径流 农业，城市，未 h s p f点面源多个流域m i n s径流 利用土地 农田小区 c r e a m s 面源单个流域m i n s径流 农田小区 g l e a m s面源单个流域d h径流渗流 农业用地，未 a n s w e r s面源多个流域m i r d s径流渗流 利用土地 农业用地未 a g n p s 利用土地 农业，城市侏 l t h i a 利用土地 点面源多个流域m i n s径流 点面源多个流域 m i n s 径流，渗澍人工管道 染物平衡 点源与非点源整 合，多目标选择 考虑氮磷和农药等 复杂污染物平衡 考虑氮、磷负荷， 简单污染物平衡 更多考虑农药地下 迁移 氮磷负荷复杂污 染物平衡 氮、磷和c o d ，不 考虑污染物平衡 考虑氮、磷负荷， 复杂污染物平衡 城市非点源产流产污过程特征研究 国外在非点源污染物时空分布和初始冲刷效应( f i r s tf l u s he f f e c t ) 方面都取 得了值得借鉴的成果【2 ”3 1 。初始冲届l j ( f i r s t f l u s h ) 是指当降雨开始后，最先产生的 径流，其污染物的含量是整个产流过程中最高的。这种现象被称为降雨初始冲刷 效应【l 卜1 4 】。由于研究的复杂性，对于初始冲刷在定义上仍存有分歧。d e l e t i e 的研 究中，把初始冲刷产生的标准由降雨事件中占整个产流2 0 的最先产生径流的总 污染物负荷( f f 2 0 ) 来确定。因此可以用累积曲线来表示待测水质指标w q c ( w a t e r q u a l i t yc h a r a c t e r ) 。l e e 等研究表明初始冲刷可以用一种数据分析方法来计算。 通过用这种方法研究表明汇流区域面积越小，其初始冲刷现象就会越明显。同时 在暴雨过程中不同功能区污染物单位负荷量的大小顺序如下：高密度的居民区 6 绪论 低密度的居民区 工业区 未开发的区域。但多采用g e i g e r 的定义，即以污染物的 累积污染负荷与累积径流量的相关性为基础，以两者所形成无量纲累积曲线的发 散来确定是否发生了初始冲刷。累积曲线与平衡线的偏差比例代表初始冲刷的强 弱，在研究中多以“f f 3 0 ”，即3 0 径流量与此时所对应的污染物量之比来表示初 始冲刷的强度【3 4 1 ，f f 3 0 值越大，说明冲刷强度越大【3 5 】。b e a m n d k r a j e w s k i 和s a g e r 等把量纲一累积曲线定义为m m 曲线后，通过拟合的方法把该曲线拟合为一个 函数【3 7 】研究得到最初的3 0 的径流中携带了整个降雨事件污染物总量的8 0 。这是一个比较可靠的分析初始冲刷存在与否的经验方法，3 0 8 0 的定义是目 前为止较有说服力的解释，可以比较准确的对径流中的污染物进行定量【3 引。 李立青等【3 9 1 。研究了城市降雨径流污染负荷同2 次降雨间隔时间的关系，结 果表明：城市降雨径流污染负荷受两次降雨间隔时间和降雨径流量的共同影响， 两次降雨间隔时间与初期降雨径流污染负荷存在显著的正相关关系。岑国平等【4 0 1 在西安理工大学水资源实验室作了大量的室内模拟降雨试验，取得了5 0 多场试验 资料，小雨强时草地基本没有产流，大雨强时，草地虽已产流，但径流系数比同 等条件下的裸土地面减j 、3 0 - - 6 0 。 城市非点源污染控制与管理技术 城市非点源污染的管理和控制研究主要体现在污染源和汇的管理和控制。其 研究途径主要是以下两方面：一是将非点源污染物的排放控制在最低限度；另一 个就是对污染物扩散途径的控制。在这两方面以美国的“最佳管理措施”f b m p s ) 最具有代表性。美国e p a 把b m p s 定义为：任何能够减少或预防水资源污染的方 法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程序 3 3 1 。 ( 1 ) 工程技术措施 采用工程技术管理暴雨径流污染以美国的b m p s 最具有代表性，很多国家以 其为基础采用技术措施取得了很大的成效【3 3 1 。在技术层面上主要包括建立沉淀 池、蓄水池、渗漏坑、多孔路面、采用湿地处理以及水体生态修复工程等。这些 方法对控制径流污染有很好的效果，如g r e bsr 等通过对5 6 7 0 m 2 的湿沉积塘的流 入量和流出量的监测结果表明，沉淀池可沉淀来自城区地表径流污染物中的8 7 的总悬浮颗粒物【3 4 1 。以径流初始冲刷定量化的结果为基础建立起来的过滤沟、 沙地过滤池和生物滞留池对初期径流的处理效果很好【4 2 4 3 1 。另外在屋面径流污染 的控制方面，可以小区为单位建立家庭住宅雨水收集处理系统、花园屋面”等独 立的径流处理系统【2 1 1 。 7 福建师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 政策法规措施 在美国，国会结合研究进展积极立法，1 9 7 2 年联邦水污染控制法( f w p c a ) 首次明确提出控制非点源污染，提出了“最佳管理措施”( b m p s ) ，1 9 8 7 年的水质法 案( w q a ) g 凋确要求各州对非点源污染进行系统的识别和管理，并给予资金支持。 1 9 9 7 年的清洁水法( c w a ) 进一步强调非点源污染控制的重要性。由于国家有完善 的政策法规，对暴雨径流污染的管理形成了一个体系，从而形成了环境资源化和 环保服务产业化，通过环境、社会、经济资源的优化配置达到社会、经济的持续 发展和环境质量的持续改善。另外在经济方面，以量化暴雨径流污染为基础，结 合微观经济学方法展开费用效益分析，采用政策手段的设计和有效性评价m ， 以限制径流中污染物的排放。在国内基本上没有这种政策法规【3 7 】。 我国任树梅【4 5 】、车武【4 6 1 、周丰【4 7 】等的研究表明，绿地为下凹式，土壤采用 人工混合土，汇集周围道路、屋面等不透水面的径流，能大大增强绿地渗透和净 化能力。小区收集和净化屋面雨水后就地用于绿地浇灌、地面浇洒、汽车冲洗等 杂用水在我国北京、南京等地已经得到部分实现【4 8 4 9 】。朱贵良【5 0 】等设计的装置 可将径流在雨水口截污并在输送管道中下渗，这将大大有助于我国城市降雨径流 污染的控制。由于我国城市用地紧张，所以应该充分利用城市的景观滞留、净化 降雨径流。 目前对非点源污染开展研究的城市在对其进行控制和管理时所采取的措施 有：扩大城市街道面的清扫范围、增加清扫次数以提高清扫质量，减少城市街 道顽累积物数量；增加绿化面积，改善土地的利用结构，减少地表径流污染； 对导致酸雨形成的主要污染源进行有效的控制，如对汽车尾气排放进行严格的 控制和规定、对城市工业排放的烟尘和粉尘进行达标控制：要求过往车辆进行 洗车进城( 如南京) 以减少街面尘土堆积量；提出了城市地表水环境的非点源控 制方法总量控制方法【1 5 】；城市的排水体制以合流制为主转变为雨污分流 制。 总之，目前城市非点源污染在污染成因、研究方法和手段、模拟模型、产流 产污过程特征、控制和管理手段方面都得到关注，国内外研究者们正不断地细化 其研究内容，也不断将新的研究技术和手段如遥感和g i s 应用于该研究领域， 我国一些发达城市如北京、广州、沈阳、上海、杭州、苏州、南京等在此方面也 开始了相应的研究和探索哆5 1 1 ，福州作为海峡西岸建设的重要城市，在城市非点 源污染研究方面目前成果较少，本论文针对福州市的气候特点、城市土地利用现 状选择合适的非点源污染模型，估算城市非点源污染负荷量，对于提高福州市水 8 绪论 环境质量、保障闽江作为福州市饮用水源地的水质安全具有重要的现实意义。 三、城市非点源污染研究存在的问题及展望 目前研究中存在的问题 ( 1 ) 目前国外的非点源污染模型中，具有坚实的水文学基础，考虑污染物地 表迁移转化过程、可推广应用于资料少的大流域的机理模型不少，而经验模型难 以大范围推广应用。 ( 2 ) 我国目前的试验与监测条件较为落后，只能利用较少的数据通过相关模 式的推演，计算污染物流失量，影响研究精度。 ( 3 ) 非点源污染监测由于起源于分散的多样区域，且地理边界与发生位置难 以识别与确定，尚未有更成熟快速测试的方法，另外监测点位代表性的不完全也 造成了污染因子与转移规律研究上的困难。 未来发展趋势 非点源污染危害的广泛性、控制的复杂性将使其研究越来越受到关注。因此， 非点源污染物自勺迁移转化研究更趋深入，提高数据的精确度，集成化非点源污染 模型软件将成为未来非点源污染模型和计算机软件开发的主流。生物技术、总量 控制将在流域非点源污染控制和治理中发挥重要的作用。从流域角度探讨流域开 发和水环境质量的关系，实施最佳管理措施，建立流域土地、水域最优开发和管 理模式，将成为非点源污染控制研究的一个重要突破点。 对于我国这样的发展中国家，加强非点源污染物的毒理学研究，推动污染 物的优先筛选。开展海洋岸、地下水和城市道路的非点源污染研究。建立合适国 情的非点源污染防治、管理综合体系是长期渐进的过程。应在城市和农业规划中 加入非点源污染防治的内容；在污染物迁移转化机制研究的基础上，完善水环境 的总量控制和点源排污权交易，开展政策研究，为实现远期的点源一非点源整体 控制做准备，最终实现环境一经济总效益的最优化。 总之，关于福州市降雨径流t p 含量变化规律及t p 含量负荷的实测研究还少 有人问津，本研究所建立的方法和所取得的成果，对于进一步深入研究福州市及 沿海城市非点源污染及防治提供宝贵的基础资料，并可为其他城市相关研究提供 借鉴。 四、研究内容、方法与技术路线 福建师范大学硕士学位论文 n 研究内容 本论文研究内容包括城市降雨产物特征研究、城市非点源总磷污染负荷研 究、不同时间尺度上非点源总磷污染负荷的变化规律，具体内容如下： ( 1